交通燈課程設計5.doc

課題三 交通燈控制邏輯電路設計一、 簡述為了確保十字路口的車輛順利、暢通地通過，往往都采用自動控制的交通信號燈來進行指揮。其中紅燈（R）亮表示該條道路禁止通行；黃燈（Y）亮表示停車；綠燈（G）亮表示允許通行。交通燈控制器的系統(tǒng)框圖如圖3.1所示。圖3.1 交通燈控制器系統(tǒng)框圖二、設計任務和要求設計一個十字路口交通信號燈控制器，其要求如下：1. 滿足如圖3.2順序工作流程。圖中設南北方向的紅、黃、綠燈分別為NSR、NSY、NSG，東西方向的紅、黃、綠燈分別為EWR、EWY、EWG。它們的工作方式，有些必須是并行進行的，即南北方向綠燈亮，東西方向紅燈亮；南北方向黃燈亮，東西方向紅燈亮；南北方向紅燈亮，東西方向綠燈亮；南北方向紅燈亮，東西方向黃燈亮。圖3.2 交通燈順序工作流程圖 2. 應滿足兩個方向的工作時序：即東西方向亮紅燈時間應等于南北方向亮黃、綠燈時間之和，南北方向亮紅燈時間應等于東西方向亮黃、綠燈時間之和。時序工作流程圖見圖3.3所示。圖3.3中，假設每個單位時間為3秒，則南北、東西方向綠、黃、紅燈亮時間分別為15秒、3秒、18秒，一次循環(huán)為36秒。其中紅燈亮的時間為綠燈、黃燈亮的時間之和，黃燈是間歇閃耀。圖3.3 交通燈時序工作流程圖3. 十字路口要有數(shù)字顯示，作為時間提示，以便人們更直觀地把握時間。具體為：當某方向綠燈亮時，置顯示器為某值，然后以每秒減1計數(shù)方式工作，直至減到數(shù)為“0”，十字路口紅、綠等交換，一次工作循環(huán)結(jié)束，而進入下一步某方向的工作循環(huán)。例如：當南北方向從紅燈轉(zhuǎn)換成綠燈時，置南北方向數(shù)字顯示為18，并使數(shù)顯計數(shù)器開始減“1”計數(shù)，當減到綠燈滅而黃燈亮（閃耀）時，數(shù)顯得值應為3，當減到“0”時，此時黃燈滅，而南北方向的紅燈亮；同時，使得東西方向的綠燈亮，并置東西方向的數(shù)顯為18。4. 可以手動調(diào)整和自動控制，夜間為黃燈閃耀。5. 在完成上述任務后，可以對電路進行以下幾方面的電路改進或擴展。 （1）在某一方向（如南北）為十字路口主干道，另一方向（如東西）為次干道；主干道由于車輛、行人多，而次干道的車輛、行人少，所以主干道綠燈亮的時間可以選定為次干道綠燈亮時間的2倍或3倍。（2）用LED發(fā)光二極管模擬汽車行駛電路。當某一方向綠燈亮時，這一方向的發(fā)光二極管接通，并一個一個向前移動，表示汽車在行駛；當遇到黃燈亮時，移位發(fā)光二極管就停止，而過了十字路口的移位發(fā)光二極管繼續(xù)向前移動；紅燈亮時，則另一方向轉(zhuǎn)為綠燈亮，那么，這一方向的LED發(fā)光二極管就開始移位（表示這一方向的車輛行駛）。三、可選用器材1. 通用實驗底板2. 直流穩(wěn)壓電源3. 交通信號燈及汽車模擬裝置4. 集成電路：74LS74、74LS164、74LS168、74LS248及門電路5. 顯示：LC5011-11，發(fā)光二極管6. 電阻7. 開關(guān)四、設計方案提示根據(jù)設計任務和要求，參考交通燈控制器的邏輯電路主要框圖3.1，設計方案可以從以下幾部分進行考慮。1. 秒脈沖和分頻器因十字路口每個方向綠、黃、紅燈所亮時間比例分別為5:1:6，所以，若選4秒（也可以3秒）為一單位時間，則計數(shù)器每計4秒輸出一個脈沖。這一電路就很容易實現(xiàn)，邏輯電路參考前面有關(guān)課題。2. 交通燈控制器由波形圖可知，計數(shù)器每次工作循環(huán)周期為12，所以可以選用12進制計數(shù)器。計數(shù)器可以用單觸發(fā)器組成，也可以用中規(guī)模集成計數(shù)器。這里我們選用中規(guī)模74LS164八位移位寄存器組成扭環(huán)形12進制計數(shù)器。扭環(huán)形計數(shù)器的狀態(tài)表如表3.1所示。表3.1 狀態(tài)表t計數(shù)器輸出南北方向東西方向Q0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 NSG NSY NSREWG EWY EWR012345678910110 0 0 0 0 01 0 0 0 0 01 0 0 0 0 01 1 1 0 0 01 1 1 1 0 01 1 1 1 1 01 1 1 1 1 10 1 1 1 1 10 0 1 1 1 10 0 0 1 1 10 0 0 0 1 10 0 0 0 0 11 0 01 0 01 0 01 0 01 0 00 00 0 10 0 10 0 10 0 10 0 10 0 10 0 10 0 10 0 10 0 10 0 10 0 11 0 01 0 01 0 01 0 01 0 00 0根據(jù)狀態(tài)表，我們不難列出東西方向和南北方向綠、黃、紅燈的邏輯表達式： 東西方向 綠： 黃： 紅：南北方向 綠：黃：紅：由于黃燈要求閃耀幾次，所以用時標1s和EWY或NSY黃燈信號相“與”即可。3. 顯示控制部分顯示控制部分實際上是一個定時控制電路。當綠燈亮時，使減法計數(shù)器開始工作（用對方的紅燈信號控制），每來一個秒脈沖，使計數(shù)器減1，直到計數(shù)器為“0”而停止。譯碼顯示可用74LS248 BCD碼七段譯碼器，顯示器用LC5011-11共陰極LED顯示器，計數(shù)器材用可預置加、減法計數(shù)器，如74LS168、74LS193等。3. 手動/自動控制，夜間控制這可用一選擇開關(guān)進行。置開關(guān)在手動位置，輸入單次脈沖，可使交通燈在某一位置上，開關(guān)在自動位置時，則交通信號燈按自動循環(huán)工作方式運行。夜間時，將夜間開關(guān)接通，黃燈閃亮。4. 汽車模擬運行控制用移位寄存器組成汽車模擬控制系統(tǒng)，即當某一方向綠燈亮時，則綠燈亮“G”信號使該路方向的移位通路打開，而當黃、紅燈亮時，則使該方向的移位停止。如圖3.4所示，為南北方向汽車模擬控制電路。圖3.4 汽車模擬控制電路五、參考電路根據(jù)設計任務和要求，交通信號燈控制器參考電路，如圖3.5所示。六、參考電路簡要說明1. 單次手動及脈沖電路單次脈沖是由兩個與非門組成的RS觸發(fā)器產(chǎn)生的，當按下K1時，有一個脈沖輸出使74LS164移位計數(shù)，實現(xiàn)手動控制。K2在自動位置時，由秒脈沖電路經(jīng)分頻后（4分頻）輸入給74LS164，這樣，74LS164為每4秒向前移一位（計數(shù)1次）。秒脈沖電路可用晶振或RC振蕩電路構(gòu)成。圖3.5 交通信號燈控制器參考電路2. 控制器部分它由74LS164組成扭環(huán)形計數(shù)器，然后經(jīng)譯碼后輸出十字路口南北、東西兩個方向的控制信號。其中黃燈信號必須滿足閃耀，并在夜間時，使黃燈閃亮，而綠、紅燈滅。3. 數(shù)字顯示部分當南北方向綠燈亮，而東西方向紅燈亮時，使南北方向的74LS168以減法計數(shù)器方式工作，從數(shù)字“24” 開始往下減，當減到“0”時，南北方向綠燈滅，紅燈亮，而東西方向紅燈滅，綠燈亮。由于東西方向紅燈滅信號（EWR：0）使與門關(guān)斷，減法計數(shù)器工作結(jié)束，而南北方向紅燈亮使另一方向東西方向減法計數(shù)器開始工作。在減法計數(shù)開始之前，由黃燈亮信號使減法計數(shù)器先置入數(shù)據(jù)，圖中接入U/和的信號就是由黃燈亮（為高電平）時，置入數(shù)據(jù)。黃燈滅（Y=0）而紅燈亮（R=1）開始減計數(shù)。4. 汽車模擬控制電路這一部分電路參考圖4。當黃燈（Y）或紅燈（R）亮時，則這端為高（H）電平，在CP移位脈沖作用下，而向前移位，高電平“H”從QH一直移到QA（圖中74LS164-1）由于綠燈在紅燈和黃燈位高電平時，它為低電平，所以74LS164-1QA的信號就不能